CN104656266B - 一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法与装置，只需将螺旋光束沿光轴方向入射，则该光学系统的出射光即为矢量光束。不同的螺旋光束入射，可生成不同的矢量光束。矢量光束的阶次为入射螺旋光束角量子数的绝对值，矢量光束的归一化光强分布与入射螺旋光束相同。改变入射的螺旋光束时，无需调节该装置的其他部位，即可生成矢量光束。该方法不用重复调整，操作较为简单，相比于现有技术有较大的进步。

Description

一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法与装置

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法与装置。

背景技术

矢量光束是近年来出现的一类新型光束，与常见的偏振态均匀分布的光束(线偏振光、椭圆偏振光等)不同，它的光束横截面上的偏振态是按照一定规律分布的，具有轴对称偏振态分布的矢量光束是麦克斯韦方程组在柱坐标系下的本征解。因此也可将其称为偏振涡旋光束和轴对称偏振光束等。矢量光束在中心处的偏振态是无法确定的，即具有偏振奇点，这使得它的光强分布具有中空结构。近年来矢量光束引起人们的广泛关注，主要是因为其独特的偏振态分布以及中空强度分布。这种光束结构使其在高数值孔径透镜的聚焦下，聚焦光斑可以突破衍射极限，并且在焦点附近具有很强的纵向电场分量，因此其在高分辨率成像技术中有着广泛的应用。同时，光镊技术中使用空心结构的矢量光束会提高粒子捕获能力。矢量光束在表面等离子体波的激发与聚焦、光通信技术中具有十分广泛的应用价值。特别是光通信领域，矢量光束可携带偏振信息量，且因其具有平面波前结构，故相比于螺旋光束，矢量光束在大气湍流的传输过程中能更好的保持原有光束的特性并传输更远的距离。

目前，主要有两种生成矢量光束的方法，即腔内法和腔外转化法。典型的腔内法就是在激光谐振腔中加入某些光学元件，如轴向二向色性和轴向双折射器件等，一次来实现激光腔内的模式选择，最终以矢量光束模式振荡输出。但此种方法设备复杂，不易操作。典型的腔外转化法就是通过螺旋光束合束来生成矢量光束。该合束过程可以表示为：

$\frac{1}{2}\exp \left(\mathrm{il\φ}\right)\·\left[\begin{array}{c}1\\ -i\end{array}\right]+\frac{1}{2}\exp (-\mathrm{il\φ})\·\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{l\φ}\\ \sin \mathrm{l\φ}\end{array}\right];$

其中，l和-l表示螺旋光束的角量子数。上式表明一左旋圆偏振螺旋光束与一携带有相反轨道角动量的右旋圆偏振螺旋光束合束后可以生成矢量光束。目前，常见的合束方法是使用渥拉斯通棱镜，即两束携带有相反轨道角动量的左右旋圆偏振螺旋光束以特殊的角度射入渥拉斯通棱镜，则出射的合束光就是矢量光束。2012年北京理工大学的研究人员利用二元振幅光栅同时生成两束携带相反轨道角动量的左右旋圆偏振螺旋光束，通过傅里叶透镜会聚后经渥拉斯通棱镜合束生成矢量光束。但是该方法同时需要两束光入射，光路调节起来较为困难。随着矢量光束的应用越来越广泛，人们需要更加简单的生成装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法与装置。只需将一束螺旋光束射入到光路系统中，其出射光即为一束矢量光束。其中，矢量光束的阶次p为入射螺旋光束的角量子数l的绝对值。矢量光束的光强分布取决于入射螺旋光束的光强分布。

本发明的一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法与装置，包括偏振片，分光镜，偏振分光棱镜，直角棱镜，全反镜，1/4波片。

所述偏振片以偏振方向与水平面成45°置于光路中，用于产生线偏振光，以此角度放置是为了此后被偏振分光棱镜分光后s光和p光的能量比为1:1；

所述分光镜置于偏振片后的光路中，与入射螺旋光束成45°放置，用于将入射螺旋光束反射至合束系统并将已生成的合束光束透射出去；

所述偏振分光棱镜置于分光镜反射后的光路中，用于将入射线偏振螺旋光束分为s偏振和p偏振的两束，两束螺旋光束分别以反射和透射的形式出射；

所述直角棱镜置于偏振分光棱镜的透射光路中，使入射光束垂直入射到直角棱镜斜面并照射到直角棱镜屋脊面上，出射光束沿原路返回；

所述全反镜置于偏振分光棱镜的反射光路中，使其法线与入射光线重合，反射光束沿原路返回；

所述1/4波片与分光镜、偏振分光棱镜和直角棱镜共轴放置，其与偏振分光棱镜分别置于分光镜两边。其快轴方向与水平面成45°。用于将s光和p光的合束光束转化为左旋和右旋圆偏振光的合束光束，此合束即矢量光束。

本发明具如下效果：

(1)本发明可以十分方便的将任意螺旋光束转化为矢量光束，生成矢量光束的阶次为入射螺旋光束的角量子数的绝对值，其归一化光强分布与原入射螺旋光束相同。

(2)本发明的提供的螺旋光束转化为矢量光束方法相比于现有技术有很大的进步。该装置只需一束螺旋光束入射，用不同的螺旋光束入射时只需保证入射光束沿光轴入射即可，而无需调节装置的其他任何结构。大大的简化了人工操作。该装置在使用过程中无需调节，操作方便，结构简单，故可以实现量产。

附图说明

图1为本发明的基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的装置图。

图中，1-偏振片，2-分光镜，3-偏振分光棱镜，4-直角棱镜，5-全反镜，6-1/4波片。

图2为单环结构的螺旋光束以及其经过本发明装置转化后生成的矢量光束。图中，第一列从上至下为入射螺旋光束，其角量子数分别为1——6，第二列从上至下为生成的矢量光束，其阶次分别为1——6。后三列为加偏振片后观察到的光斑图样，其出现分瓣结构，且瓣数为相应矢量光束阶次的二倍。

图3为多环结构的螺旋光束以及其经过本发明装置转化后生成的矢量光束。图中，第一列从上至下为入射螺旋光束，前两个为双环结构，第三个为三环结构，其角量子数分别为1、3和1。第二列从上至下为生成的多环矢量光束，其阶次分别为1、3和1。后三列为加偏振片后观察到得光斑图样，其出现分瓣结构。

图4为一角量子数为1的螺旋光束LG01模与一角量子数为-1的螺旋光束LG0-1模入射到本装置后，均生成一阶矢量光束。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细的描述。

本发明的一种将基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法与装置，如图1所示。在图1中，入射光束从下面沿光轴方向直接经偏振片射入分光镜中，这里偏振片的作用是将入射螺旋光束转化为与水平方向成45°偏振的线偏光，以此来保证偏振分光棱镜分束后的两束光强度相同。入射螺旋光束经分光镜反射后，入射到偏振分光棱镜中。偏振分光棱镜将入射螺旋光束等分为强度相同且偏振方向相互正交的两束线偏光，即s光和p光。s光和p光分别经全反镜和直角棱镜反射后，沿入射光路原路返回至偏振分光棱镜中，实现合束。其中，s光被偏振分光棱镜反射两次，被全反镜反射一次，总共被反射三次，故其角量子数变为原来的相反数。p光垂直于直角棱镜的斜面直接射入，经直角棱镜的屋脊面反射，而屋脊面不会改变成像性质，且p光未经偏振分光棱镜反射，故p光的角量子数不变。因此该合束是两束携带有相反轨道角动量且偏振方向相互正交的线偏振螺旋光束的合束。合束光束自偏振分光棱镜出射并经分光镜透射后，被一快轴方向与水平面成45°放置的1/4波片转化为两旋向相反的圆偏振光的合束，此时的合束光束就是矢量光束。

如图2和图3所示，该装置可生成偏振纯度较高的矢量光束，且生成的矢量光束的强度分布与入射螺旋光束相同。对于不同的螺旋光束入射，只需保证沿光轴入射，而无需调节本装置的任何结构，即可实现矢量光束的生成。

如图4所示，该装置生成的矢量光束的阶次为入射螺旋光束的角量子数的绝对值。

这些都表明，本发明装置可以很好的将螺旋光束转化为矢量光束。同时在使用过程中不需要二次调节，极大地方便了使用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的装置，其特征在于，包括偏振片(1)，分光镜(2)，偏振分光棱镜(3)，直角棱镜(4)，全反镜(5)，1/4波片(6)，其中：

所述偏振片(1)偏振方向与水平面成45°置于入射光路中，将入射螺旋光束转化为与水平面呈45°线偏螺旋光束；

所述分光镜(2)置于偏振片(1)的后方光路中，且分光镜平面与入射光轴成45°放置，用以将入射线偏螺旋光束的传播方向改变90°；

所述偏振分光棱镜(3)置于分光镜(2)的反射光路中，用以将入射螺旋光束分解为偏振方向相互正交的两束线偏螺旋光束；

所述直角棱镜(4)置于偏振分光棱镜(3)的透射光路中，p偏振螺旋光束直接照射在其屋脊面上，并沿原光路返回，这可以保持入射螺旋光束的角量子数不变；

所述全反镜(5)置于偏振分光棱镜(3)的反射光路中，s偏振螺旋光束垂直照射在全反镜上，并沿原光路返回，这可以使入射螺旋光束的角量子数变为原来的相反数；

所述偏振分光棱镜(3)将直角棱镜(4)与全反镜(5)反射的两束正交线偏螺旋光束合束；

所述1/4波片(6)在分光镜(2)、偏振分光棱镜(3)以及直角棱镜(4)的同轴光路中，且与偏振分光棱镜(3)分别置于分光镜(2)的两边；

所述1/4波片(6)的快轴方向与水平面成45°放置，用以将两束正交线偏螺旋光束合束转化两束旋向相反的圆偏振螺旋光束合束，生成矢量光束。

2.一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法，其特征在于：

①利用泰曼格林干涉装置将入射的螺旋光束转化为矢量光束：入射螺旋光束经偏振片(1)后，转化为偏振方向与水平面成45°的线偏振光，使其经分光镜(2)反射后再经偏振分光棱镜(3)分解为等光强的偏振方向相互正交的两束线偏振螺旋光，两束光在各自的光路反射后又经偏振分光棱镜(3)合束；

其中s光经全反镜(5)反射，共被偏振分光棱镜(3)和全反镜(5)反射3次，角量子数变为原来的相反数，p光经直角棱镜(4)的屋脊面反射，角量子数不变；

合束后的光为偏振方向相互正交的线偏振螺旋光束的合束，合束光束经分光镜(2)透射后，通过一快轴方向与水平面成45°夹角放置的1/4波片(6)，使其转换为两束偏振旋向相反的圆偏振螺旋光束的合束，合束的两束螺旋光束的角量子数互为相反数，因此经1/4波片(6)后的合束光束即为生成的矢量光束；

②通过改变入射的螺旋光束，可生成不同阶次的矢量光束，生成的矢量光束的阶次为入射螺旋光束的角量子数的绝对值，生成的矢量光束的归一化光强分布与入射的螺旋光束相同。